SERDES应用场景以及对应的复位设计

随着半导体技术，特别是 FPGA 的发展，单片芯片的处理能力越来越强。现在单片的处理能力都在 1Tbit 以上。而要处理这么多的数据，单靠原来的 LVDS, LVPECL 已经无法满足芯片接口吞吐量的要求。所以，如今越来越多的应用都用到高速 SERDES。

XILINX 的 SERDES 作为业界翘楚，越来越多地被客户接受并广泛应用。而随之而来设计、调试问题，也是让客户感到害怕的问题。特别是客户容易对高速 SERDES 犯怵，碰到问题又无从着手，导致进度受阻，压力倍增。

这是我着手总结 SERDES 设计调试的初衷。

这次主要讲 SERDES 复位设计。

复位的作用

众所周知，现在主流的 FPGA 上实现的都是时序逻辑。时序逻辑有一个特点就是前面的状态会影响到后面的状态。所以在这种应用里，初始状态的确定是整个设计里非常重要的一个环节。复位就是用来初始化逻辑状态用的。

对于 SERDES，根据不同的应用，其时钟方案是不同的。对此，SERDES 的状态，特别是BUFFER 的状态会受到很大的影响。由于 BUFFER 的读写时钟有效稳定的时间不同，大致会引起以下 2 种情况：

1. BUFFER 上下溢出，使得输入输出误码；

2. 多通道应用里，通道间引入偏移，使得各路通道绑定失败。

所以复位设计必须小心，特别需要和时钟方案相匹配，才能给可靠的设计打下良好的基础。

7 系列 GTX 的时钟结构

上面说到，复位应该和时钟方案相匹配，所以在这里简单介绍一下 7 系列 GTX/GTH 的时钟结构。

7 系列 SERDES 是以 QUAD 为单位的。在一个 QUAD 里，有

a) GTX/GTH： 一个 QUAD 里有 4 个 SERDES；

b) 2 个参考钟：它们可以连到任意一个 PLL 上。而且可以给上下相邻的 QUAD 提供参考钟；

c) CPLL：这是每路 GTX/GTH 都有的 PLL。这个 C 是指 Channel；

d) QPLL：每个 QUAD 内的 SERDES 共享的 PLL。这个 Q 是指 QUAD。

QPLL 和 CPLL 可以供到每个 SERDES 的发（TX）和收（RX）。在 SERDES 里有TX/RXSYSCLKSEL[1:0]端口选择使用哪个时钟源。

复位设计的案例

下面，根据不同的时钟方案，会列出一些复位的方法。

首先需要提醒的一点是：对于 7 系列的 SERDES， bit 文件下载完（CONFIGDONE 拉高）后的500ns 时间内的复位是无效的。SERDES 需要的复位是脉冲。所以 FPGA 配置完成后 500ns 后复位信号才能拉高。

如果在 500ns 之前就拉高，那是无效的。需要在后面在有一个正脉冲才行。

关于这个问题，在 XINLIX 官网上有 AR43482 作说明。

另外相对于以前的 SERDES，在 7 系列 SERDES 里多了 2 个信号：TXUSERRDY 和 RXUSERRDY。

这 2 个信号是用来控制何时进行 PCS 复位的。

SERDES 的顺序复位是指 GTXTXRESET 或 GTXRXRESET 有复位脉冲时，SERDES 会进行从 PMA一直到 PCS 的复位，最后把 TXRESETDONE 或 RXRESETDONE 拉高。

PMA 和 PCS 复位涵盖的范围见下表

整个复位顺序都是从 PMA 到 PCS 的。具体流程可以参考 UG476。

在完成 PMA 复位后进入 PCS 复位是，TXUSERRDY 和 RXUSERRDY 就是开关。只有当它们为高时才能进入 PCS 复位，继而完成整个 SERDES 的复位。TXUSERRDY 和 RXUSERRDY 的含义是用户钟 TXUSRCLK/TXUSRCLK2 和RXUSRCLK/RXUSRCLK2 都稳定了。这个时候可以进行 PCS复位了。

TX 复位案例

一、 TXOUTCLKSEL = TXOUTCLKPMA

这种情形下，TXOUTCLK 的频率是(LINE RATE)/(INTERNAL DATAWIDHT)，它会随着线速度的变化而变化。

对于 7 系列 SERDES，内部位宽可以有 16/20 bit （即 2 字节）和 32/40bit（即 4 字节）2中选择。跟逻辑接口的外部位宽有 2、4、8 字节 3 种选择。由于逻辑可以跑到 368MHz以上。所以对于大多数的应用，TXUSRCLK/TXUSRCLK2 是可以同频的。此时，其时钟框图就会如下：

这种复位方案里，有一些要求：

? SERDES 工作在顺序复位模式下（工具产生的代码默认模式）

? RESETOVRD = 1’b0

? GTRESETSEL = 1’b0

? QPLLRESET 或 CPLLRESET 需要脉冲复位

? 至少一个参考钟周期

? QPLLLKDET 或 CPLLLKDET 的上升沿上产生 GTXTXRESET 脉冲，启动 SERDES 进入顺序复位

? 同时，把 QPLLLKDET/CPLLLKDET 连到 TXUSERRDY

? 最好能延时 2～3us 以保证 TXOUTCLK 稳定。

? 在 TXRESETDONE 的第一个上升沿做 TXPCSRESET 的复位

? 对单路应用不需要这个复位。

? 对于多路需要对齐输出的应用，需要把所有 TXRESETDONE 都拉高后做TXPCSRESET 复位以减少各路的输出偏移

二、TXOUTCLKSEL = TXOUTCLKPMA，用到 MMCM

这个和上面一个的差别就是需要用到 MMCM。由于 MMCM 的输入是 TXOUTCLK，必须等到 TXOUTCLK 稳定后才能释放复位；而 MMCM 给 SERDES 提供 TXUSRCLK 和TXUSRCLK2，所以 TXUSERRDY 必须在 MMCM 稳定后才能拉高。

同样，对于多通道应用，需要在所有 TXRESETDONE拉高后给一个 TXPCSRESET 脉冲，这样可以减少发送数据通道间的偏移。

三、TXOUTCLKSEL = TXPLLREFCLK_DIV1/2

这种应用和第一种不同之处在于TXOUTCLK的时钟来源不同，这里是来自于参考钟。所以它会在 QPLL 锁定之前就稳定下来。当然我们还是可以借用第一种复位方法。只是QPLLLKDET/CPLLLKDET 送到 TXUSERRDY 时不需要延时去等待内部时钟稳定。

四、TXOUTCLKSEL = TXPLLREFCLK_DIV1/2，用到 MMCM同样，这种应用可以参考第二种。

当然由于 MMCM 的输入时钟是参考钟，所以它的复位释放也不需要等待 PLL 锁定。所以我们也可以用下面的复位方法

当然由于 MMCM 复位要求，QPLLRESET/CPLLRESET 的脉宽需要大于 3 个参考钟周期。

五、TXBUFFER BYPASS 情形

对于 CPRI 等有延时精度要求的应用，需要把 TXBUFFER 旁路。这时需要在上面的复位之外还要有相位对齐电路的复位。

要能进行相位对齐，对时钟有一定要求：

1. 同源同频。这里只是做相位对齐，频率必须相同；

2. 时钟稳定。只有时钟稳定后才能进行相位对齐操作。

所以相对于前面使能 TXBUFFER 的应用的复位，在 TXRESETDONE 拉高后，做一次相位对齐操作就可以了。

这里需要注意的一点是，TXDLYSRESET 的脉宽必须小于 50ns。

整个复位的波形图如下

和前面不同的是，这里用 TXPHALIGNDONE 作为后续逻辑的复位信号。这是因为这个信号拉高了，表示 SERDES 的初始化已经完成，可以工作了。而前面的几种应用，TXRESETDONE 的拉高是 SERDES 能够正常发送数据的标志。

RX 复位设计

这里只包括用到 RXOUTCLK 时的复位。如果是用 TXOUTCLK 作为 RXUSRCLK/RXUSRCLK2时钟源的情形，可以参考 TX 复位设计部分。

RX 的结构比 TX 要复杂。相对应的复位也会复杂一些。主要原因是 RXOUTCLK 的源头可能是 CDR 送出的恢复钟。也就是说，需要 CDR 稳定工作后才能有稳定的 RXOUTCLK 输出。所以后续的复位需要与此相配。

CDR 在有信号送入时，会跟踪上输入信号的频率、相位；当没有信号送入时，它会慢慢锁到本地时钟上，直到又有信号送入。这个不是跃变的过程，而是慢慢变化的。这里不会引入恢复时钟的跳变。

一、RXOUTCLKSEL = RXOUTCLKPMA

这种情形下，RXOUTCLK 的源头就是 CDR 的恢复钟。

由于初始化复位时，我们还是用 QPLLLKDET/CPLLLKDET 作为 RXUSERRDY 的输入，这样在 PLL 锁定后可以完成 PMA/PCS 的初始化。

但是在工作起来后，CDR 会锁到输入信号上。在跟踪过程中，恢复钟（也就是RXBUFFER 的写时钟）会有个渐变的过程。这个可能会导致 RXBUFFER 溢出。所以用RXBUFSTATUS[2]送到 RXBUFRESET。这样在 RXBUFFER 溢出时复位 RXBUFFER。

对于多通道应用，也是需要在所有 RXRESETDONE 都拉高时复位 RXBUFFRESET 一下，这样可以减少各路的偏移。当然，任意一路有前面说到的溢出，也需要复位所有的RXBUFFER。

二、RXOUTCLKSEL = RXOUTCLKPMA，且用到 MMCM

这个情形下，我们需要注意的就是 MMCM/PLL 输入时钟源于 CDR 恢复时钟并给RXPCS 提供用户时钟。所以需要

1. MMCM 必须在 PLL 锁定后延时一段时间释放复位，这其中的时间就是 CDR 锁定的时间。

2. MMCM 的 LOCK 信 号 控 制 RXUSERRDY ， 以 保 证 RXPCS 的 复 位 是 在RXUSRCLK/RXUSRCLK2 都稳定后释放的。

这种应用里，如果外部输入信号丢失，比如拔掉再插上光纤，那需要对接收侧做整体复位以保证接收的可靠。这时整个时钟都会重新复位一遍。

三、RXOUTCLKSEL = RXPLLREFCLK_DIV1/2

这种情形，RXUSRCLK/RXUSRCLK2 的源头都是参考钟，所以和 TXOUTCLKSEL = TXPLLREFCLKDIV1/2 的情形是一样的。在现实中会合并用 TXOUTCLK 来驱动 TXUSRCLK 和RXUSRCLK。

所以复位的方法参考 TX。

四、RXOUTCLKSEL = RXPLLREFCLK_DIV1/2, 且用到 MMCM
这 种 情 形 ， RXUSRCLK/RXUSRCLK2 的 源 头 都 是 参 考 钟 ， 所 以 和 TXOUTCLKSEL = TXPLLREFCLKDIV1/2 + MMCM 的情形是一样的。在现实中会合并用 TXOUTCLK 通过MMCM 来驱动 TXUSRCLK 和 RXUSRCLK。

所以复位的方法参考 TX。这里画出 2 中复位连接图：

五、RXBUFFER BYPASS

RXUBFFER BYPASS 模式下，由相位对齐电路实现 RXCLK 和 RXUSRCLK 的相位对齐。此时 RXUSRCLK 的源头必须来自 RXOUTCLKPMA， 而 RX_XCLK_SEL = RXUSR。

在大多数情况下，RX 工作在 SINGLE LANE 模式下。所以 RXPHASEALINGMENT 只要工作在 AUTO 模式下就可以了。

对于 GTX，RXPHASEALIGNMENT 的复位连接和波形如下：

RXPHALIGNDONE 作为 RX 逻辑的复位信号。

对于 GTH，RXPHASEALIGNMENT 的复位连接和波形如下：

RXSYNCDONE 作为 RX 逻辑的复位信号。

同样的要求：

1. RXDLYSRESET 的脉宽不能超过 50ns。

2. 相位对齐操作必须在 RXRESETDONE 拉高后进行。

总结

对于时序系统，复位的设计会极大影响到系统的工作结果。对于 7 系列的 SERDES，其重要性是不言而喻的。这里列举的是一些应用场景以及对应的复位设计。希望对大家有帮助。